低浓度甲烷催化燃烧Cu基催化剂的制备及其性能研究

摘要

我国煤炭资源储量极为丰富，每年开采量也十分巨大。在煤炭开采过程中，为了减少因煤矿瓦斯而引起矿难的发生，向煤矿巷道中通入大量的空气，将瓦斯稀释后排入大气。排入大气的这部分甲烷数量巨大，不仅造成了资源的极大浪费，而且严重污染环境。因此研究如何合理有效利用低浓度甲烷具有重大意义。目前，低浓度甲烷利用的主要方式是将其进行催化燃烧，以利用其放出的热能。催化燃烧的关键在于寻找经济高效的催化剂，使甲烷在较低温度下能够完全转化。
　　首先，以γ-Al2O3为载体，采用等体积浸渍法制备了一系列CuO/Al2O3催化剂，考察其低浓度甲烷催化燃烧活性，并通过比表面积测定、X射线衍射、H2程序升温还原等分析手段对催化剂进行表征。其次，以稀土金属、过渡金属以及碱金属中的一种或两种为助剂，对CuO/Al2O3催化剂进行改性，并考察改性后催化剂甲烷催化燃烧活性，通过比表面积测定、X.射线衍射、H2程序升温还原等分析手段对催化剂进行表征。最后，考察了甲烷初始浓度、反应空速、焙烧温度等因素对催化活性的影响。
　　研究结果表明，CuO/Al2O3催化剂对于甲烷催化燃烧有较好的活性，低温下催化活性随负载量的增加先升高后降低，高温下催化活性随负载量的增加而降低，Cu负载量（质量分数）为10％的催化剂10％CuO/Al2O3低温活性最高。向催化剂10％CuO/Al2O3中加入单金属助剂Ce、Fe、Mn，均能够促进CuO在载体表面的分散，提高催化剂10％CuO/Al2O3的高温活性，但只有过渡金属助剂Mn能够显著提高催化剂10％CuO/Al2O3的低温活性。助剂La的加入能够抑制高温下载体的晶型转变，提高催化剂的高温稳定性。碱金属的加入促进了CuO与载体的相互作用，不利于高分散态CuO的生成，使催化剂活性降低。La、Mn之间存在协同效应，将稀土金属助剂La和过渡金属助剂Mn同时加入催化剂10％CuO/Al2O3中，能够显著提高催化剂的活性。600℃焙烧条件下制备的催化剂10％Cu-4％Mn-2％La/Al2O3活性最高，甲烷起燃温度可降低至430℃左右，完全转化温度在650℃以下。在催化剂10％Cu-4％Mn-2％La/Al2O3作用下，甲烷转化率随初始浓度和空速的增加而降低，并且高温条件下，甲烷转化率受浓度与空速的影响较小。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 低浓度甲烷利用现状

1．2 催化燃烧

1．2．1 催化燃烧的概念

1．2．2 催化燃烧的特点

1．2．3 甲烷催化燃烧机理

1．3 甲烷催化燃烧催化剂

1．3．1 贵金属催化剂

1．3．2 非责金属催化剂

1．4 论文研究目的及内容

第二章 Cu基催化剂的制备及其在甲烷催化燃烧中的活性评价

2．1 实验原料及设备

2．2 催化剂的制备

2．3 催化剂活性评价

2．3．1 催化反应流程

2．3．2 实验方法和步骤

2．3．3 催化剂活性评价指标

2．4 催化剂表征

2．5 结果与讨论

2．5．1 催化剂焙烧温度的确定

2．5．2 Cu负载量对催化剂活性的影响

2．5．3 催化剂XRD分析

2．5．4 催化剂H2-TPR分析

2．6 本章小结

第三章 单金属助剂对Cu基催化剂活性的影响

3．1 实验原料及设备

3．2 催化剂的制备

3．3 稀土金属助剂对Cu基催化剂活性的影响

3．3．1 助剂La对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

3．3．2 助剂Ce对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

3．4 过渡金属助剂对CuO／Al2O3催化剂的影响

3．4．1 添加不同过渡金属助剂对催化剂活性的影响

3．4．2 助剂Fe对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

3．4．3 助剂Mn对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

3．5 本章小结

第四章 双金属助剂对Cu基催化剂活性的影响

4．1 实验原料及设备

4．2 催化剂的制备

4．3 助剂Fe-K／Na对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

4．3．1 催化剂甲烷催化燃烧活性评价

4．3．2 催化剂XRD分析

4．3．3 催化剂H2-TPR分析

4．4 助剂Fe-La对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

4．4．1 催化剂甲烷催化燃烧活性评价

4．4．2 催化剂XRD分析

4．4．3 催化剂H2-TPR分析

4．5 助剂Mn-La对CuO／Al2O3催化剂活性的影响

4．5．1 催化剂甲烷催化燃烧活性评价

4．5．2 催化剂XRD分析

4．5．3 催化剂H2-TPR分析

4．6 本章小结

第五章 其他因素对催化剂活性的影响

5．1 甲烷初始浓度对催化剂活性的影响

5．2 反应空速对催化剂活性的影响

5．3 催化剂焙烧温度对活性的影响

5．3．1 焙烧温度对催化剂活性的影响

5．3．2 催化剂XRD分析

5．3．3 催化剂H2-TPR分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文